激光焊保護鏡片消耗優(yōu)化策略及其應(yīng)用

張 明，李冠群，潘曉剛

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

激光焊接目前已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)達國家汽車車身制造中應(yīng)用廣泛的一種成熟工藝。采用機器人激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的焊接工藝，不僅可以提高焊接質(zhì)量，改善車身部件的機械力學(xué)性能，而且可以節(jié)省材料，大大降低車身的制造成本[1]。

目前北京奔馳選用Scansonic 公司開發(fā)的ALO3 系列激光熔焊工作頭，并配置送絲系統(tǒng)，實現(xiàn)填絲熔焊功能，其實物如圖1 所示[2]。

圖1 ALO3 實物和結(jié)構(gòu)

由于激光焊工藝，尤其是填絲熔焊設(shè)備，由于其能量密度高、功率大、焊接速度與送絲速度快，導(dǎo)致熔池穩(wěn)定性差，造成飛濺狀態(tài)嚴重。激光頭前端接近焊源部位有保護鏡模塊和氣簾模塊，保護鏡片及氣簾模塊如圖2 所示。其中保護鏡片可以根據(jù)污染程度進行清潔和更換，氣簾模塊通過噴嘴輸出一層壓縮空氣形成保護層，減少飛濺對保護鏡片的污染。針對北京奔馳裝焊車間主要發(fā)生的問題，提出優(yōu)化方案，保證設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

圖2 保護鏡片及氣簾模塊

1 現(xiàn)狀及影響因素分析

目前激光填絲熔焊的飛濺形成原理復(fù)雜以及防飛濺措施單一，造成保護鏡片更換頻率較高，達到每班次10 次左右水平，每次更換鏡片都需要停線3 min，對線體的正常工作造成較大影響。另外，由于保護鏡片造價較高，頻繁的更換鏡片也為生產(chǎn)運營成本帶來較大負擔(dān)。通過分析，其影響因素包括以下三類。

1.1 固定因素

主要包括設(shè)備因素，主要體現(xiàn)為不同品牌的激光焊產(chǎn)品雖然在大致原理上相似，都可以保證工藝質(zhì)量的要求，但在具體的細節(jié)實現(xiàn)上還是有差別。比如在飛濺防護措施，不同廠家的構(gòu)造原理、采用的媒介、使用的強度等都有所不同，這就造成了不同設(shè)備之間天然的飛濺差距。固定因素還指不同的工藝要求，比如說熔焊與釬焊，由于工藝方法的不同，所以焊接功率，焊接速率等都會不同，造成焊接飛濺的差距。即使都是熔焊，飛行焊和填絲熔焊也有本質(zhì)的差別，在焊接中加入焊絲填充，會導(dǎo)致熔池的不穩(wěn)定，所以也會造成飛濺的不同。最后一個固定因素體現(xiàn)在工作量的不同，即使設(shè)備及工藝的選擇是一樣的，但不同工位的零件焊縫長度是不一樣的，由此帶來在相同零件產(chǎn)量下，不同工作量的工位產(chǎn)生的飛濺量是不一樣的，所以保護鏡片的使用量也會不一樣。討論固定因素的用意在于把此類因素當(dāng)作背景條件，說明在研究如何減少保護鏡片消耗的問題上，比較具有不同固定因素的兩個工位沒有意義，只有在固定因素相同的情況下比較才有意義。

1.2 飛濺產(chǎn)生因素

針對北京奔馳使用的激光熔焊的設(shè)備與工藝進行分析。

（1）影響飛濺產(chǎn)生的因素為機器人TCP 的偏移。對于填絲熔焊來說，TCP 指焊絲的尖端，激光光斑以及機器人工具坐標(biāo)原點的重合點，其中調(diào)整重合度是設(shè)備可以正常使用的前提。在填絲焊接過程中，激光首先作用在焊絲上，焊絲被加熱熔化后填充搭接焊縫法蘭邊，在激光繼續(xù)作用下，基體金屬熔化并形成匙孔。填充焊絲的加入，使得在激光填絲焊工藝過程中，光束與焊絲相互作用的機理比較復(fù)雜，當(dāng)激光束照射在填充焊絲上時，能量被吸收，一部分用于熔化焊絲，一部分使得金屬汽化，部分能量從焊絲的表面反射。在焊絲的端部，固態(tài)焊絲的熔滴均可反射激光束，熔滴的反射占總焊絲反射的70%左右。

材料對激光的吸收率隨著溫度升高而增大，金屬材料在室溫時的吸收率都很小，當(dāng)溫度升高至接近熔點時，其吸收率可達40%～50%，如溫度接近沸點，其吸收率高達90%。另外，金屬材料在高溫下形成的氧化膜會使吸收率顯著提高。

焊絲與激光束的相對位置關(guān)系是填絲激光焊的一個重要參數(shù)，它不僅影響焊絲的熔化速度，而且對焊縫的成形質(zhì)量也有很大影響。文獻[3]表明，當(dāng)送絲位置偏離焊縫中心線0.25 mm 時，對于1 mm 的焊絲熔化效率會降低36%左右。一般情況下，送絲位置應(yīng)盡可能對準(zhǔn)焊縫中心線，即TCP 調(diào)至正中位置，TCP 及Weldeye 記錄焊接過程如圖3 所示。車間使用的ALO3 焊接頭配備Weldeye 焊接監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測焊接過程中光絲的相對位置，并記錄。

圖3 TCP 及Weldeye 記錄焊接過程

（2）送絲系統(tǒng)穩(wěn)定度。激光填絲熔焊的填絲，使得激光焊接的工藝非常復(fù)雜，掌握不同焊接條件下激光填絲焊的送絲特性是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的先決條件[4]。送絲速率是激光填絲焊的重要工藝，合理選擇送絲速率可以充分利用激光能量，提高生產(chǎn)效率。送絲速率太快或太慢，會導(dǎo)致過渡到熔池中的焊絲熔滴堆積或欠缺，同時也會影響激光與焊絲、母材之間的相互作用，從而影響焊縫的成型。一般使用的送絲機構(gòu)需帶有反饋作用，能夠在焊接過程中保持設(shè)定的送絲速率不變。文獻表明，激光焊接過程中焊絲幾乎100%過渡到焊接熔池中，因此可通過焊接過程的物質(zhì)平衡來計算送絲速率，焊縫截面的余高和拼焊的間隙均依靠焊絲填充。根據(jù)焊件厚度與間隙的大小，送絲速率與焊接速率存在如式（1）所示：

式中 α——焊絲插入搭接焊縫的焊接角度，°

δ——工件厚度，mm

VR——焊接速度，m/min

D——焊絲直徑，mm

VW——送絲速度，m/min

K——成形系數(shù)，由余高的要求確定，取0.85～1.1

該工位為搭接焊縫，搭接上下板的板厚均為1.65～1.75 mm，使用的焊絲為低碳鋼，焊絲直徑為1 mm，使用帶有負反饋功能E-BOX 送絲控制系統(tǒng)，能夠保證焊接過程具有穩(wěn)定的絲速。

經(jīng)計算，焊接絲速的合理調(diào)整區(qū)間為5.3～6.5 m/min。調(diào)試過程中，采用5.5 m/min、6 m/min、6.5 m/min 的送絲速率，對比觀察在不同焊接絲速對焊接飛濺的影響，并對焊接熔深、A 值等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進行對比。

（3）板件搭接縫隙。為了保證焊縫飽滿，不存在過多的凹陷、咬邊等缺陷，送絲速率與焊縫搭接間隙成正比。但是，過大的焊接間隙會導(dǎo)致焊絲熔液從縫隙中流出，無法更好的加熱上板，焊接飛濺變大。同時焊絲熔液無法填充焊縫搭接法蘭邊，造成焊縫凹陷，形成質(zhì)量缺陷，搭接間隙過大的金屬液流動及焊縫剖面如圖4 所示。

圖4 搭接間隙過大的金屬液流動及焊縫剖面

（4）離焦量變化。離焦量是焦點到板材之間的距離量。離焦量與光斑直徑的對應(yīng)關(guān)系如圖5 所示，離焦量不同，激光光斑落在板材的直徑就不同，從而影響光斑的功率密度，進而影響焊接過程。車間激光填絲熔焊使用的ALO3 加工頭具有的自動聚焦模塊，能夠通過TA 軸的伸縮量調(diào)節(jié)離焦量。

圖5 離焦量與光斑直徑的對應(yīng)關(guān)系

調(diào)試過程中，采用LA=60、55、50、40、25，測試不同離焦量對焊接飛濺的影響，同時對比焊縫熔寬以及表面質(zhì)量。

1.3 飛濺阻擋因素

（1）焊接軌跡角度。填絲熔焊中，一般要求焊絲在鉛垂面上與焊縫共面，這樣當(dāng)送絲過程發(fā)生微小變動時，也能保證熔滴的穩(wěn)定過渡。焊絲的直線度對于焊接的穩(wěn)定性非常重要，影響焊絲對光束能量的吸收與焊接過程的穩(wěn)定性，為了保證焊絲正好送到光軸與母材的交匯點，在焊絲末端有金屬絲嘴引導(dǎo)焊絲。調(diào)試過程中，通過Weldeye 優(yōu)化調(diào)整每一個軌跡點的焊絲投影，焊絲垂直投影與焊縫平行如圖6 所示，保證整個焊接過程中焊絲投影。

圖6 焊絲垂直投影與焊縫平行

一般焊絲與焊接方向的夾角在30°～75°較為合適。同時，由于板材對激光有反射作用，同時，激光焊接過程中造成的飛濺的主要方向是垂直于焊接焊縫的，所以為了避免反射的激光通過透鏡進入激光頭甚至是激光源，以及避免焊接飛濺直接飛入激光頭，優(yōu)化調(diào)整每一個焊接點激光的入射角度，保證在整個焊接過程中入射角度為6°。

（2）氣簾模塊。實際激光焊接過程中，對于高功率激光的光學(xué)系統(tǒng)，有老化、被污染問題，同時焊接過程會產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)等現(xiàn)象，對焊接過程和焊接質(zhì)量會產(chǎn)生影響。車身二工廠激光填絲熔焊系統(tǒng)使用的是Scansonic 公司生產(chǎn)的ALO3 激光加工頭，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在靠近焊縫位置有cross-jet 氣刀模塊，通過橫向吹氣的方式吹散焊接飛濺，保護其上部的保護鏡片。

氣刀模塊使用空間壓縮空氣，氣體壓力可以在0～0.7 MPa 進行調(diào)整，氣流量在0～620 L/min。

2.3.5 SaO2 納入4篇文獻，各研究間存在異質(zhì)性（P＜0.000 1，I2=90%），采用隨機效應(yīng)模型進行Meta‐分析，見圖5。結(jié)果顯示治療前后試驗組SaO2增加值顯著大于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義［MD=5.32，95%CI（3.14～7.50），P＜0.000 1］。

調(diào)試過程中，氣刀壓力及氣流量采用0.4 MPa（360 L/min）、0.5 MPa（450 L/min）、0.6 MPa（540 L/min）、0.7 MPa（620 L/min）四組保護氣體流量，對比觀察保護氣體壓力/流量對焊接飛濺及焊縫質(zhì)量的影響。

2 方案提出

由于上文所述的固定因素實際上為一個工位的固定屬性，不能更改。所以接下來只針對飛濺的產(chǎn)生因素以及阻擋飛濺的因素進行優(yōu)化方案的提出及驗證。

2.1 TCP 影響

激光填絲焊中，入射的激光束在透過表面的等離子云之后，首先作用在焊絲上，許多研究表明，激光束照射在焊絲上時通常會發(fā)生三方面的作用：一部分激光能量被焊絲吸收，使焊絲升溫、熔化，成為熔池的一部分；一部分被焊絲表面反射；剩余部分穿過焊絲對工件進行加熱，形成匙孔。其中，反射比、吸收比與投射比滿足式（2）：

式中 R——反射比

A——吸收比

τ——透射比

焊絲與與光束橫向偏離時，會導(dǎo)致焊絲熔化量下降。在實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，TCP 在橫向發(fā)生-0.1 mm、-0.2 mm 的少量偏移時能夠避免低功率時焊接飛濺的急劇增加；但是，當(dāng)偏離超過-0.3 mm 時，熔化量急劇下降，焊絲容易彎曲，造成橫向擺動，引起焊絲熔化不均勻，成形不穩(wěn)定；在橫向偏移為+0.1 mm 時飛濺也急劇增加，經(jīng)分析認為光斑過多的照射上板，導(dǎo)致絲熔液傾向于附著在上板，形成的焊縫垂直方向較高，同時熔液在重力作用下有向下板流動的趨勢，造成熔池不穩(wěn)定，飛濺急劇增加。相對光斑橫向偏離的TCP 如圖7 所示。

圖7 相對光斑橫向偏離的TCP

依據(jù)紅外線激光與金屬材料相互作用的基本理論，同種材料不同溫度下對紅外激光的吸收比：

ρ20——金屬材料在20 ℃的電阻率，Ω·cm

γ——電阻溫度系數(shù)，℃-1

λ——激光波長，cm

T——金屬板材的溫度，℃

在同樣條件下，TCP 橫向偏離時，光斑更多的加熱板材，板材溫度越高其對電阻率影響越大，對激光的吸收比越高，反射比越低，導(dǎo)致熔池的不穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致焊接飛濺增大。

2.2 送絲速率及離焦量的變化影響

焊接功率和送絲速率是激光填絲焊的重要參數(shù)，并且相互影響。送絲速率對焊絲的熔化行為以及對激光的吸收、反射性能有很大影響。在較低的送絲速率下，焊絲在與激光直接接觸前已經(jīng)熔化，熔化的焊絲形成大的熔滴，激光束直接照射在金屬基材上，但焊絲熔滴的不確定晃動會造成照射在金屬基材的激光束不穩(wěn)定，匙孔的不穩(wěn)定會引起焊接飛濺增大，同時焊縫凹陷，外觀質(zhì)量不良。送絲速率過高時，激光被焊絲全部屏蔽，焊絲被連續(xù)熔化，但其下部仍為固態(tài)，激光束無法傳遞至金屬基材，造成焊接熔深不足，強度不滿足使用要求。

調(diào)試過程中采用不同的焊接送絲速率，發(fā)現(xiàn)送絲速率在6.5 m/min 時功率稍低焊接飛濺就非常大，不利于飛濺的控制，同時過大的送絲速率需要同時匹配高焊接功率，不利于焊接工藝的穩(wěn)定。5.5 m/min 的送絲速率已經(jīng)能夠滿足焊縫的飽滿，故送絲速率5.5 m/min、焊接功率4.45 kW 可以滿足焊接要求。

在焊接功率不變的情況下，降低焊接離焦量能夠減小光斑直徑，增大光斑的功率密度，有利于焊接熔深。但是，實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)離焦量低于40 時，光斑直徑Φ＜1 mm，光斑直徑比焊絲直徑小，不能穩(wěn)定的熔化焊絲，熔池不穩(wěn)定，對焊接飛濺的控制有負面影響。同時，小光斑無法對金屬基材進行預(yù)熱，造成焊絲熔液與板材潤濕性不足，焊縫呈圓柱形趨勢，外觀質(zhì)量差。

2.3 氣簾模塊

焊接飛濺的控制，一方面是為了保證合格的焊接質(zhì)量，另一方面是為了保護光學(xué)鏡片，降低成本。氣刀是阻止飛濺污染光學(xué)鏡片的唯一途徑，是防止光學(xué)鏡片污染的重要一環(huán)。

實際調(diào)試過程中，調(diào)整氣刀壓力值0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa，對比觀察其對飛濺的屏蔽效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣刀壓力為0.7 MPa 時保護鏡片更易污染。分析認為，氣刀橫向吹氣時，在氣刀上方會形成負壓狀態(tài)，激光房的空氣會被吸入空腔，落在光學(xué)鏡片上，過大的氣刀壓力形成的負壓大，更多的空氣被吸入，進而更容易污染鏡片。同時，氣刀上若有缺口會造成保護氣流部分的紊流狀態(tài)。過大的壓力會放大造成紊流的影響面積，進而將焊接飛濺吹到光學(xué)鏡片上。

調(diào)整中發(fā)現(xiàn)，在更換氣刀模塊之后，保護鏡片的更換頻次急劇下降，最終認為最可能的原因是氣刀模塊表面有焊渣或缺口損壞，造成保護氣流形成紊流，將飛濺吹至光學(xué)鏡片，造成鏡片污染，如圖8 所示。

圖8 氣刀口有損壞，形成紊流

3 效果驗證及結(jié)論

3.1 鏡片消耗數(shù)量

自8 月中旬至10 月下旬，保護鏡片使用量日均17 片，超出正常水平的13 片。通過上述因素分析及優(yōu)化方案的實施，能達到每天4 片的狀態(tài)，鏡片昂貴，節(jié)省運營成本。

3.2 結(jié)論

經(jīng)過幾個月的一系列的調(diào)試，總結(jié)如下：

（1）當(dāng)出現(xiàn)換鏡片數(shù)量短時間內(nèi)加劇的情況時，首先判斷氣刀模塊是否損壞。

（2）焊接時的前進角應(yīng)保證在7°。

（3）工裝焊件縫隙應(yīng)調(diào)整至0.2 mm 以下，否則會出現(xiàn)焊段質(zhì)量報警和飛濺大問題。

（4）當(dāng)出現(xiàn)TCP 必須偏著調(diào)才能保證質(zhì)量時，說明軌跡不適合當(dāng)前焊縫，需要調(diào)整。

（5）在保證焊接質(zhì)量前提下，且焊接過程中焊絲抖動較小，減小LA 值可幫助減小飛濺。

（6）絲速問題會使飛濺一定程度的增加，注意絲速異常，將絲速控制在合理水平。

（7）內(nèi)鏡片出現(xiàn)臟污應(yīng)及時清理。